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JP3947748B2 - Optical amplifier with quantum dots - Google Patents
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Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットによる光増幅器に関するものである。   The present invention relates to an optical amplifier using quantum dots, which is particularly applied to fields such as nanoscale optical communication networks and optical measurement.

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている(例えば、非特許文献1参照。)。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばHBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。   With the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size at which a quantum mechanical effect appears noticeably has been realized (for example, see Non-Patent Document 1). As semiconductor elements utilizing this quantum mechanical effect, for example, HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and quantum well lasers have been put into practical use. In addition, nanoscale quantum dots that take advantage of the particle properties of electrons by controlling single electrons using quantum mechanical effects have attracted attention.

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をON/OFF動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。   Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box with a potential that is so fine that it gives three-dimensional quantum confinement to excitons. Utilizing this exciton confinement system, the energy levels of carriers in the quantum dot become discrete, and the density of states sharpens in a delta function. Single-electron memories that use light absorption between the sharpened states of this quantum dot and single-electron transistors that turn on / off single electrons that enter and exit the quantum dot have already been studied. Nanoscale manipulation is being realized.

M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862M. Ohtsu, K. Kobayashi, T. Kawazoe, S. Sangu, T. Yatsui, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., To be published Vol8.No4 2002 July-Aug, P839-P862

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく光増幅を行うことができるナノスケールの光増幅器の実現が望まれている。   By the way, in order to meet the demand for future large-capacity information processing, it is desired to realize a nanoscale optical amplifier capable of performing optical amplification without being controlled by the diffraction limit of light.

しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、消費電力や発熱等の問題が生じ、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。また、ナノスケールの素子における信号は小さいため増幅器が必要であるが、ナノスケールで動作可能な実用的な光増幅器はない。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性を長期に確保ための装置が大がかりになるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの光増幅器自体が未だ案出されていないのが現状である。   However, when trying to realize such a nanoscale circuit with an electronic device, problems such as power consumption and heat generation occur, and when trying to realize it with an optical device, miniaturization is still limited by the diffraction limit of light. There is a problem of being done. In addition, an amplifier is necessary because the signal in the nanoscale element is small, but there is no practical optical amplifier that can operate at the nanoscale. Furthermore, when trying to realize this with a quantum device, there is a problem that an apparatus for ensuring coherence for a long time becomes large. For this reason, a practical nanoscale optical amplifier itself has not yet been devised.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく光増幅処理等をナノスケールで行うことができる量子ドットによる光増幅器を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and finds a unique photophysical phenomenon between quantum dots arranged in the nanometer region, and allows light to be controlled without being controlled by the light diffraction limit. An object of the present invention is to provide an optical amplifier using quantum dots capable of performing amplification processing and the like on a nanoscale.

本発明に係る量子ドットによる光増幅器は、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、基板上に形成されてなり外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第1の量子ドットと、第1の量子ドットを挟み込むようにして基板上に形成されてなり第1の量子ドットより大体積で構成される2つの第2の量子ドットとを備え、各第2の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有し、さらに第1の量子ドットに供給された入力光に基づきこれを増幅させた出力光を生成する。   In order to solve the above-described problems, an optical amplifier using quantum dots according to the present invention includes a dielectric substrate and an excitation state in which excitons are excited according to input light that is formed on the substrate and supplied from the outside. A first quantum dot having a position, and two second quantum dots formed on a substrate so as to sandwich the first quantum dot and having a larger volume than the first quantum dot, Each of the second quantum dots has substantially the same resonance energy level in which excitons are excited based on induced light supplied from the outside, and input light supplied to the first quantum dots. Based on the above, output light is generated by amplifying it.

本発明に係る量子ドットによる光増幅器は、外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第1の量子ドットと、第1の量子ドットを挟み込むようにして、より大体積で構成される2つの第2の量子ドットとを基板上に形成し、各第2の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有する。このような構成からなる光増幅器の第1の量子ドットに入力光を供給すると、励起準位に励起された励起子の状態が変化し、これに伴って第2の量子ドット間に生じていた章動現象のバランスを崩すことができ、ひいては、双極子-双極子相互作用の強さに応じた出力光を生成することが可能となる。特に第2の量子ドットをより大体積で構成することにより、双極子−双極子相互作用をより強くすることができるため、出力光の光強度をより大きくすることができ、増幅率を向上させることが可能となる。   In the optical amplifier using quantum dots according to the present invention, the first quantum dot having the excitation level excited by the exciton according to the input light supplied from the outside and the first quantum dot are sandwiched between the first quantum dot and the first quantum dot. Two second quantum dots each having a large volume are formed on a substrate, and each second quantum dot has substantially the same level in which excitons are excited based on induced light supplied from the outside. Resonance energy level. When input light is supplied to the first quantum dot of the optical amplifier having such a configuration, the state of the excitons excited to the excitation level changes, and this is caused between the second quantum dots. It is possible to break the balance of the nutation phenomenon, and to generate output light according to the strength of the dipole-dipole interaction. In particular, by configuring the second quantum dot with a larger volume, the dipole-dipole interaction can be further increased, so that the light intensity of the output light can be increased and the amplification factor is improved. It becomes possible.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明は、図1に示すようなナノ光増幅器1に適用される。このナノ光増幅器1は、供給された入力光をナノスケールで増幅した出力光を生成するデバイスであって、例えばNaCl、KCl又はCaF等の誘電性材料により構成される基板10と、基板10の表面上において形成されている単一の第1の量子ドット11と、第1の量子ドット11を挟み込むようにして基板10上に形成されてなり、第1の量子ドット11より大体積で構成される2つの第2の量子ドット12a,12bと、さらにこの第2の量子ドット12a,12bを挟み込むようにして形成されてなる反射鏡13a,13bと、第2の量子ドット12a,12bから放出される出力光を集光して外部へ出力するための光アンテナ14とを備えている。 The present invention is applied to a nano optical amplifier 1 as shown in FIG. The nano optical amplifier 1 is a device that generates output light obtained by amplifying supplied input light on a nano scale. For example, the substrate 10 is made of a dielectric material such as NaCl, KCl, or CaF 2, and the substrate 10 A single first quantum dot 11 formed on the surface of the first quantum dot 11 is formed on the substrate 10 so as to sandwich the first quantum dot 11, and has a larger volume than the first quantum dot 11. Are emitted from the second quantum dots 12a and 12b, the second quantum dots 12a and 12b, and the reflecting mirrors 13a and 13b formed so as to sandwich the second quantum dots 12a and 12b. And an optical antenna 14 for collecting the output light to be output to the outside.

第1の量子ドット11,第2の量子ドット12は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子(励起子)を制御する。これら量子ドット11,12では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。   The first quantum dots 11 and the second quantum dots 12 control single electrons (excitons) based on discrete energy levels formed by confining excitons three-dimensionally. In these quantum dots 11 and 12, the energy levels of carriers are made discrete by the exciton confinement system, and the state density can be sharpened in a delta function.

第1の量子ドット11は、外部から入力光が供給される。この入力光は、図示しないプラズモン導波路を介して第1の量子ドット11へ供給されるようにしてもよいし、近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。   The first quantum dots 11 are supplied with input light from the outside. This input light may be supplied to the first quantum dots 11 via a plasmon waveguide (not shown), or may be supplied via a near-field optical probe.

第2の量子ドット12a,12bは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される互いに状態密度関数がほぼ等しい共鳴エネルギー準位を有する。このため、第2の量子ドット12a,12bは、同一材料であり、かつ同一体積となるように形成されている。   The second quantum dots 12a and 12b have resonance energy levels whose state density functions are substantially equal to each other, in which excitons are excited based on induced light supplied from the outside. For this reason, the second quantum dots 12a and 12b are made of the same material and have the same volume.

各量子ドット11,12は、CuCl、GaN又はZnO等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット11,12を構成する材料系がCuClである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット11,12を構成する材料系がGaNやZnOである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。   Each quantum dot 11 and 12 consists of material systems, such as CuCl, GaN, or ZnO. Incidentally, when the material system constituting each quantum dot 11, 12 is CuCl, these are constituted in a cubic shape called a quantum box, and the material system constituting each quantum dot 11, 12 is GaN or ZnO. In some cases, these are configured as spherical or disk-shaped.

これら各量子ドット11,12は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板10上に形成させることができる。各量子ドット11,12を構成する材料系として上記CuClを用いる場合において、先ずCuClの粉末と、NaClの粉末を混合して約800℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数mm/hの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約200℃程度の温度で数分から数10分間熱処理をすると、CuClの量子ドット11,12を包含したNaCl結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット11,12のサイズを自在に制御することもでき、これらを100nm以下の領域に並べて形成させることも可能となる。   These quantum dots 11 and 12 can be formed on the substrate 10 by using the following Bridgman method. In the case of using the above-mentioned CuCl as a material system constituting each quantum dot 11, 12, CuCl powder and NaCl powder are first mixed and melted at a temperature of about 800 ° C. Next, the molten powder mixture is suspended in a furnace having a temperature gradient in the vertical direction, and moved up and down in the furnace at a speed of several mm / h to create a temperature gradient in the mixed powder gradually. To crystallize. When heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for several minutes to several tens of minutes, a NaCl crystal including CuCl quantum dots 11 and 12 can be produced. Incidentally, in this Bridgman method, the size of the generated quantum dots 11 and 12 can be freely controlled by changing the heat treatment temperature and the heat treatment time, and these can be formed side by side in a region of 100 nm or less. Become.

なお、これら各量子ドット11,12は、更に分子エピタキシー(MBE)成長法に基づいて基板10上に作製してもよいし、また近接場光CVDを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。   Each of these quantum dots 11 and 12 may be further formed on the substrate 10 based on a molecular epitaxy (MBE) growth method, and the formation position of the quantum dots with high accuracy using near-field light CVD. You may control.

各量子ドット11,12における量子閉じ込め準位E(nx,ny,nz)は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式(1)により定義される。
E(nx,ny,nz)=h2/8π2m(π/L)2(nx 2+ny 2+nz 2)・・・・・(1)
反射鏡13a,13bは、外部から入射した光(以下、誘起光という。)を第2の量子ドット12a,12b上において往復反射させるために互いに平行となるように設けられている。反射鏡13aは、図示しない光源から波長λの誘起光が入射される。このため、この反射鏡13aの反射率は、外部から誘起光が一定の割合で入射できるように100%よりも若干低く構成されている。これに対して、反射鏡13bの反射率は、ほぼ100%となるように構成されている。ここで、反射鏡13a,13bは、供給効率を高めるためのものあるが、必ずしも必要としない。
The quantum confinement level E ( nx , ny , nz ) in each quantum dot 11,12 is expressed by the following formula (1) when the mass of the particle is m and the side length of the quantum dot is L. Defined by
E (n x , n y , n z ) = h 2 / 8π 2 m (π / L) 2 (n x 2 + ny 2 + n z 2 ) (1)
The reflecting mirrors 13a and 13b are provided so as to be parallel to each other so that light incident from the outside (hereinafter referred to as induced light) is reflected back and forth on the second quantum dots 12a and 12b. The reflecting mirror 13a receives induced light having a wavelength λ 1 from a light source (not shown). For this reason, the reflectance of the reflecting mirror 13a is configured to be slightly lower than 100% so that the induced light can be incident from the outside at a constant rate. On the other hand, the reflectance of the reflecting mirror 13b is configured to be approximately 100%. Here, the reflecting mirrors 13a and 13b are provided to increase supply efficiency, but are not necessarily required.

光アンテナ14は、第2の量子ドット12a,12bの双方、又はいずれか一方から出力される出力光を集光し、これを外部へ放出する。この光アンテナ14は例えばプラズモン導波路で構成されていてもよい。また、この光アンテナ14の代替として、近接場光プローブを用いて出力光を拾うようにしてもよい。   The optical antenna 14 condenses output light output from both or one of the second quantum dots 12a and 12b and emits the light to the outside. The optical antenna 14 may be composed of, for example, a plasmon waveguide. As an alternative to the optical antenna 14, output light may be picked up using a near-field optical probe.

次に、本発明を適用したナノ光増幅器1の動作について説明をする。   Next, the operation of the nano optical amplifier 1 to which the present invention is applied will be described.

先ず、第1の量子ドット11に対して入力光が供給される。ここで、第1の量子ドット11につき、供給される入力光の波長に応じて、図2に示すように励起子が励起される励起準位S1が形成されるように設計しておく。これにより、第1の量子ドット11に供給される入力光の強度に応じて、かかる励起準位S1に励起される励起子の状態が支配されることになる。   First, input light is supplied to the first quantum dots 11. Here, the first quantum dots 11 are designed so that an excitation level S1 where excitons are excited as shown in FIG. 2 is formed according to the wavelength of the input light supplied. As a result, the state of excitons excited by the excitation level S1 is controlled according to the intensity of the input light supplied to the first quantum dots 11.

次に、反射鏡13a,13b間において誘起光を往復反射させる。ここで、第2の量子ドット11につき、往復反射する誘起光の波長λに応じて、図2に示すように励起子が励起される励起準位S2が形成されるように設計しておく。これにより、かかる誘起光に応じて第2の量子ドット12a,12b内で励起子が励起されることになる。 Next, the induced light is reflected back and forth between the reflecting mirrors 13a and 13b. Here, the second quantum dot 11 is designed so that an excitation level S2 in which excitons are excited is formed as shown in FIG. 2 according to the wavelength λ 1 of the induced light that is reflected back and forth. . As a result, excitons are excited in the second quantum dots 12a and 12b in response to the induced light.

かかる場合には、共鳴する第2の量子ドット12a,12b間で励起子が行き来する、いわゆる章動(nutation)が繰り返されることになり、これがポピュレーションの振動という形で現われることになる。   In such a case, excitons go back and forth between the resonating second quantum dots 12a and 12b, so-called nutation is repeated, and this appears in the form of population vibration.

ちなみに、この章動が繰り返されている間は、双極子-双極子相互作用が第2の量子ドット12a,12b間に生じる。かかる相互作用が生じている間、双極子は互いに反対称となるように保持されることになる。   Incidentally, while this nutation is repeated, a dipole-dipole interaction occurs between the second quantum dots 12a and 12b. During such interaction, the dipoles will be held in anti-symmetric relation to each other.

かかる章動現象が生じているときに、上述の如く第1の量子ドット12に入力光を供給すると、これに伴って励起準位S1に励起された励起子の状態が変化し、さらにかかる励起準位S1における励起子の状態の変化に伴って、章動現象のバランスが崩れる。これは、入力光の供給に伴い、第1の量子ドット11と第2の量子ドット12間において近接場光相互作用が生じるところ、図1に示すように互いに反対称とされた双極子の配向方向が変化することを意味している。   When input light is supplied to the first quantum dots 12 as described above when such a nutation phenomenon occurs, the state of excitons excited to the excitation level S1 changes accordingly, and the excitation is further increased. As the state of the exciton at level S1 changes, the balance of the nutation phenomenon is lost. This is because near-field light interaction occurs between the first quantum dots 11 and the second quantum dots 12 with the supply of the input light. As shown in FIG. It means that the direction changes.

双極子の配向方向が変化すると、双極子-双極子相互作用の強さに応じた出力光が第2の量子ドット12a,12bから放出され、これが光アンテナ14を介して外部に放出されることになる。この出力光の光強度は、換言すれば、双極子の大きさに支配され、かかる双極子の大きさは、量子ドットの体積の大きさに基づくものである。このため、かかる出力光の光強度をより大きくするためには、第2の量子ドット12a,12bの体積をより大きくすることにより、双極子を大きくすることができ、ひいてはかかる章動現象の崩れに伴って放出される出力光の光強度を大きくすることが可能となる。   When the orientation direction of the dipole is changed, the output light corresponding to the intensity of the dipole-dipole interaction is emitted from the second quantum dots 12a and 12b, and this is emitted to the outside via the optical antenna 14. become. In other words, the light intensity of the output light is governed by the size of the dipole, and the size of the dipole is based on the size of the quantum dot volume. For this reason, in order to increase the light intensity of the output light, the dipole can be increased by increasing the volume of the second quantum dots 12a and 12b. As a result, the light intensity of the output light emitted can be increased.

このため、第2の量子ドット12a,12bを第1の量子ドット11と比較して大体積で構成することにより、第2の量子ドット12a,12bから放出される出力光につき、第1の量子ドット11へ供給された入力光を増幅させた形となるように制御することが可能となる。なお、本実施の形態においては、第1の量子ドット11のサイズを2〜3nmとし、第2の量子ドット12のサイズを10nmとした場合を想定しているが、かかる場合に限定されるものではなく、第2の量子ドット12が第1の量子ドット11よりも大体積であればいかなる体積で構成してもよい。   For this reason, the second quantum dots 12a and 12b are configured to have a larger volume than the first quantum dots 11, so that the output light emitted from the second quantum dots 12a and 12b has the first quantum dots. It is possible to control the input light supplied to the dots 11 so as to have an amplified form. In the present embodiment, it is assumed that the size of the first quantum dot 11 is 2 to 3 nm and the size of the second quantum dot 12 is 10 nm. However, the present invention is limited to this case. Instead, the second quantum dots 12 may have any volume as long as the second quantum dots 12 have a larger volume than the first quantum dots 11.

このように、本発明を適用したナノ光増幅器1は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく光増幅処理等をナノスケールで行うことができる。このため、本発明を適用したナノ光増幅器1は、少数のフォトンを信号のキャリアに利用するナノフォトニックデバイスに対しても適用することが可能となり、ナノオーダで光増幅を行うことも可能となる。   As described above, the nano optical amplifier 1 to which the present invention is applied finds a unique photophysical phenomenon between quantum dots arranged in the nanometer region, and performs optical amplification processing and the like without being controlled by the diffraction limit of light. Can be done. For this reason, the nano-optical amplifier 1 to which the present invention is applied can be applied to a nano-photonic device that uses a small number of photons as signal carriers, and optical amplification can be performed in nano-order. .

本発明を適用したナノ光増幅器の構成につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating per structure of the nano optical amplifier to which this invention is applied. 本発明を適用したナノ光増幅器の動作につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about operation | movement of the nano optical amplifier to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1 ナノ光増幅器、10 基板、11 第1の量子ドット、12 第2の量子ドット、13 反射鏡、14 光アンテナ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nano optical amplifier, 10 Substrate, 11 1st quantum dot, 12 2nd quantum dot, 13 Reflecting mirror, 14 Optical antenna

Claims (3)

誘電性の基板と、
上記基板上に形成されてなり、外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第1の量子ドットと、
上記第1の量子ドットを挟み込むようにして上記基板上に形成されてなり、上記第1の量子ドットより大体積で構成される2つの第2の量子ドットとを備え、
上記各第2の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有し、さらに上記第1の量子ドットに供給された入力光に基づき、これを増幅させた出力光を生成すること
を特徴とする量子ドットによる光増幅器。
A dielectric substrate;
A first quantum dot formed on the substrate and having an excitation level excited by excitons according to input light supplied from the outside;
Two second quantum dots formed on the substrate so as to sandwich the first quantum dots, and having a larger volume than the first quantum dots,
Each of the second quantum dots has substantially the same resonance energy level in which excitons are excited based on induced light supplied from the outside, and is further supplied to the first quantum dot. An optical amplifier using quantum dots, characterized in that output light is generated by amplifying the light based on input light.
上記各第2の量子ドットは、互いに共鳴エネルギー準位間を往復する励起子の状態を上記第1の量子ドットに供給された入力光に基づいて変化させることにより、上記出力光を生成すること
を特徴とする請求項1記載の量子ドットによる光増幅器。
Each of the second quantum dots generates the output light by changing the state of excitons that reciprocate between resonance energy levels based on the input light supplied to the first quantum dot. The optical amplifier using quantum dots according to claim 1.
上記各第2の量子ドットは、互いに反対称された双極子の状態を上記第1の量子ドットに供給された入力光に基づいて変化させることにより、上記出力光を生成すること
を特徴とする請求項1記載の量子ドットによる光増幅器。
Each of the second quantum dots generates the output light by changing a dipole state antisymmetric with each other based on input light supplied to the first quantum dot. An optical amplifier using quantum dots according to claim 1.
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